超大断面地下洞室地质灾害分析与防治*

张良平，雷 文，娄彩红，薛新华

(1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 611700； 2.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065)

0 引言

随着我国在水利工程、地下工程等领域的快速发展，工程建设中呈现的地质问题和灾害越来越引起重视[1-2]。大岗山水电站工程位于高山峡谷区域，是典型的高坝工程，电站调节库容小，泄洪流量大，泄洪洞是主要的泄水构筑物[3-4]。大岗山泄洪洞工程开挖断面大，多处存在岩脉破碎带及断层，地下水丰富，发生地质灾害的几率较高，灾害后果更严重。因此，有必要开展相关研究，以采取针对性措施，保证泄洪洞安全、快速、绿色、和谐地完成施工任务，并取得大型地下工程灾害防治技术相关经验和成果。

以大岗山水电站泄洪洞施工为基础，对超大断面地下洞室中可能出现的地质灾害分类总结，探究灾害的影响因素，并提出可能出现的灾害防治措施，可为类似施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

1.1 枢纽布置概况

大岗山水电站是大渡河干流水电规划的第十四级电站，电站坝址位于泸定—石棉段的大渡河中游，占全流域面积的81%[5]。大岗山水电站最大坝高210m，最大水头178m，最小水头156.8m，额定水头160m，发电引用流量1 834m3/s。

大岗山水电站泄洪洞的施工由进水口、洞身段、出口段与下游防护工程组成[6]。泄洪洞长1 077.50m，纵坡i=0.103 9。开挖断面宽16m、高21m，开挖断面面积接近335m2，为特大断面洞室。泄洪洞进水口堰顶高程1 110.000m，引渠段底高程1 100.000m，塔顶高程1 135.000m，塔体尺寸为38.5m×27.0m×20.0m(长×宽×高)。堰面曲线下游在高程1 106.770m处与30°斜坡相接，斜坡后接半径为50.0m的反弧，后接无压泄洪洞，起点底高程为1 098.320m。无压隧洞段纵坡i=0.103 9。无压洞净空断面尺寸为(14.00～16.00)m×(18.00～20.00)m(宽×高)。泄洪洞出口底高程为990.000m。

1.2 工程地质概况

2 灾害分类划分

2.1 灾害分类划分意义

大岗山泄洪洞属于特大型地下洞室，面临复杂的地形和地质条件，同时受地下水、有害气体影响，存在通风、排烟等难题，施工环境较恶劣，灾害发生存在多发性和偶发性特点，同时威胁人员生命和施工设备安全。建立正确的灾害分类体系，进行灾害评估、灾级划分、灾度计量、灾害防治等具有重要作用，特别是有助于建立综合的减灾防灾管理体系，对有针对性灾害防治措施的制定具有指导意义。

2.2 灾害分类原则

地下工程建设存在多种灾害，灾害间存在相关性、关联性，灾害层次的划分存在多种方式、方法，不同的认识角度存在不同的分类方法。目前就地下洞室开挖施工灾害性质而言，主要为地质灾害，但真正成灾一般都包含致灾原因、成灾过程和危害后果3个方面。因此，本文据此进行灾害分类划分。

2.3 灾害发生动因、过程及结果特征

1) 多种因素诱导灾害发生 地下工程灾害发生主要为自然灾害，但并不是所有自然灾害均能成灾，必须是多种因素组合才形成灾害，甚至会造成严重后果。根据各成灾原因，可归结为自然原因、人为原因、方案缺陷、管理缺陷等，其表现为多发性和偶发性特性。

2) 灾害形成过程与人类活动相伴相生 地下工程中人类活动是灾害发生的动因，灾害发生过程伴生在施工各环节过程中，一次灾害从发生到消失存在孕育、潜伏、预兆、暴发、持续、衰减、平息等几个过程。在灾害爆发前给予积极的干预将降低和减少灾害发生。

3) 按危害后果划分 灾害的发生会造成严重的社会危害，主要表现为生命和财产2个方面。有些灾害对人的生命构成威胁，有些灾害则会造成财产损失，或两者兼而有之。

2.4 灾害分类

1)特大型地质灾害灾情 因灾死亡30人以上或因灾造成直接经济损失1 000万元以上的地质灾害灾情。

2)大型地质灾害灾情 因灾死亡10人以上、30人以下，或因灾造成直接经济损失500万元以上、1 000万元以下的地质灾害灾情。

3)中型地质灾害灾情 因灾死亡3人以上、10人以下，或因灾造成直接经济损失100万元以上、500万元以下的地质灾害灾情。

4)小型地质灾害灾情 因灾死亡3人以下，或因灾造成直接经济损失100万元以下的地质灾害灾情。

3 地质灾害影响因素

地质灾害预测尤其突泥涌水预测问题一直是各类地下工程中普遍遇到的难题，无论是采矿巷道还是深埋隧洞，突水、突泥都严重威胁工程施工安全。由于突泥涌水是一个复杂的与时间有关的动态过程，影响因素众多，如地层岩性、地质构造分布、水文地质条件、初始地应力、施工方法等，在不同工程背景和地质条件下机理各异，因此突泥涌水研究一直是人们关注的热点和难点。

泄洪洞开挖施工中，发生突水灾害的地方往往有渗水，如出现渗水、涌水，表明附近存在含水体，但未必发生突水；突水灾害发生的地方，如果存在岩体裂隙，往往有渗水发生。因此，很多情况下，渗水是突水灾害发生的前兆。它们存在的特征和区别为：突水必须具备高水压、富水、突发性、持续时间短；涌水具有的条件是水量大、水压不一定高；渗水具有的条件是水量少、水压可能比较高，但水量少，或蓄水体水量大、水压高，但经过较长的渗流通道后，在渗水点渗水量较小、水压低。涌水和渗水的区别主要是裂隙或其他水流通道较宽，蓄水量丰富，长时间流水。

泄洪洞开挖工程开挖断面大，多处存在岩脉破碎带及断层，地下水丰富，一般都饱含各种充填物及泥沙等。当洞穴富水且饱含各种充填物时，覆岩运动与上覆水砂体则形成动态联系，将给隧洞开挖施工带来巨大的潜在威胁。一旦人为激活该围岩构造，会发生威胁安全生产和人员生命的涌水突泥。研究突水涌泥，保证安全施工，已成为亟待解决的研究课题之一，对突水灾害评价具有重要意义。大量突水事件表明，突水不易在顺坡隧道产生灾难性后果，特别是人的生命安全，而突水、突泥将给生命财产带来巨大灾害。对于反坡隧道，无论是突水还是突泥都将会造成隧道淹没，给人的生命财产带来巨大损失，影响施工继续进行。

当水压力较小时，洞内有少量固体颗粒物，这时隧洞在断层水压力作用下有小规模涌水和落石发生，还未形成大规模突泥涌水，这一现象可看作隧洞即将发生突泥涌水的先兆。之后，水压力增大，涌水增多，突泥也逐渐开始。经过以上分析，现将地质灾害发生的影响因素总结如下。

3.1 隔水层岩层岩性及其组合特征

隔水层岩层厚度、岩性及其组合对突泥涌水起着重要制约作用，隔水层越厚越安全。需要注意的是，在隔水层厚度相同的情况下，不同岩性组合的抵抗水压能力不同。对防突水最有利的岩性组合为：顶、底都为相对较软的岩层，中间为软硬相间岩层。

3.2 含水条件

泄洪洞洞身段多处存在岩脉破碎带及断层，局部发育有裂隙密集带、断层或岩脉破碎带。断层破碎带及其影响带、辉绿岩脉破碎带、裂隙密集带等含水一般较丰富，常有囊状水存在。若含水层发育在同一水文地质单元内，各处的含水层水位变化不大，而含水量大小差异较大，若含水层发育在同一构造单元内，其富水性取决于其发育程度和构造。

3.3 水头压力

如果仅有水源，而水压很小，在有一定厚度隔水层的条件下，一般不会发生突水事故，即使有少量涌水，也不会造成突水灾害。因此，足够的水头压力是引起突水的重要条件。在地质条件基本相似的情况下，承压水压越高，越易突水。

3.4 地应力

在泄洪洞开挖过程中，地应力非常复杂，它是岩层自重、构造应力、采动矿压、承压水水压等综合作用的结果，而且是一个变化的力。导致突水的附加力源主要是构造应力，构造应力是地壳中岩层发生断裂和褶皱作用的主要驱动力。在应力集中区，地应力加剧了隔水岩层变形和破坏，成为突水的附加力源。

4 地质灾害防治措施及方法

4.1 泄洪洞软岩洞段和特殊洞段围岩地质风险防治措施

4.1.1采取合适的开挖程序和开挖方法

由泄洪洞地质资料可知，IV类和V类围岩比例在80%以上，很大一部分洞段由于岩体力学性能较差，同时局部裂隙发育，存在易风化等特点，在开挖过程中如果开挖方式不当，可能存在大面积塌方等风险。根据支洞开挖地质揭示情况和地质预报对第1层开挖高度和开挖程序进行了调整；同时，根据第1层开挖揭示的地质情况，调整全洞分层、分区及开挖程序，如图1所示。

图1 中导洞开挖程序(单位：cm)

最开始第1层开挖高度9m，采取中导洞方案，中导洞底宽9m，边侧岩体宽4m，先导洞开挖再两侧扩挖，对于地质情况良好的洞段，自稳性较好，顶部无须临时支护。对于软弱岩体，开挖和必须及时支护，中导洞顶部圆心角较小，不利于稳定。相对于左、右半洞开挖，在地质较差情况下，适应变形情况更好，同时有利于及时进行喷锚支护施工。

综合考虑操作架移动便捷、大坡度隧洞操作平台安全性以及爆破危石采用反铲处理和人工撬挖的最佳空间，左、右半洞施工高度选定为7m，有效降低了掉块伤人风险。

根据围岩变化情况确定左、右半幅的前后距离，一般断层和岩脉及裂隙大量发育，又有较大渗水洞段，坍塌、塌方事故极易发生，必须采用钢拱架强支护，前后相距1～3m；渗水较小部位，根据地质情况调整前后距离在20m内，左、右半洞开挖如图2所示。

图2 左、右半洞开挖

左、右半洞施工第1层，同样采取“弱爆破、短进尺、及时支护”的方式进行，根据围岩地质情况，调整钻爆参数。泄洪洞IV，V类围岩光爆孔控制在40～50cm，线装药密度控制在80～100g/m，取得较好成型效果。

软弱岩体洞段除了顶部变形大，同时随着开挖高低的加大，顶部和边墙的变形较大，根据受力分析和岩体力学分析资料及结合观测资料，原方案分层、分区存在极大塌方安全风险，必须进行调整。最初分3层开挖，第1层高度9m，第2层高度9～11m，第3层2～3m，尤其第2层开挖高度较高，卸荷较快，无法满足泄洪洞软弱地质条件安全稳定要求，因此进行了分层调整，同时调整了开挖进度，泄洪洞共分5层进行开挖，第1层顶拱部分高7m，第2层高4m，第3层高7～8m，中间拉槽一次性开挖，保护层分2次进行开挖，最后一层保护层开挖2～3m。第3层由于开挖过程中发现下游洞段变形较大，同时锚杆应力计数值超标，及时调整分层高度3～4m进行开挖，实际总分层为5层。

随着下部开挖进行，顶部拱架支撑出现较大变形，最大15cm，如图3所示。

图3 拱顶变形情况

对于同支洞交叉段安全风险尤其突出，为防止坍塌事故发生，制订了专项施工方案。1号施工支洞与泄洪洞交叉后，通过下支洞斜向上爬升到泄洪洞顶拱部，该段属于地质破碎带，支洞施工时采用的钢拱架作为临时支撑。因此，能否安全顺利度过是一个巨大的施工难题。通过多种方案比较论证，最后采取支洞扩挖与顶拱扩挖交替进行，充分利用临空面，严格控制爆破单响药量，控制开挖进尺在1.5m以内，顶拱采取全断面开挖，同时采取超前锚杆同钢拱架结合的联合支护形式，最终安全顺利通过该段，未出现坍塌事故。

4.1.2避免塌方采取相应的有效支护方式

4.1.2.1Ⅱ类围岩(D1断面)

根据岩石出露情况，临时支护采用φ25，L=4.5m的随机锚杆，边墙随机挂网，网喷混凝土较永久支护厚度增加5cm。与永久支护相结合，顶拱范围喷混凝土C25厚15cm，挂钢筋网φ6.5@15cm×15cm；边墙范围，喷C25混凝土，厚5cm，随机挂钢筋网φ6.5@15cm×15cm，网喷混凝土厚10cm。

4.1.2.2Ⅱ类围岩(D2断面)

根据岩石出露情况，临时支护采用φ25，L=4.5m的随机锚杆，边墙、顶拱随机挂网，网喷混凝土较永久支护厚度增加5cm。与永久支护相结合，边墙、顶拱范围喷护混凝土5cm，随机挂钢筋网φ6.5@15cm×15cm，挂网处喷护厚10cm。

4.1.2.3Ⅲ类围岩(D3断面)

根据岩石出露情况，临时支护采用φ25，L=4.5m的随机锚杆，顶拱挂钢筋网φ6.5@15cm×15cm，喷C25混凝土较永久支护厚度增加7cm；边墙素喷C25混凝土厚8cm，随机挂网，网喷混凝土较永久支护厚度增加7cm。与永久支护相结合，顶拱挂钢筋网φ6.5@15cm×15cm，喷C25混凝土厚15cm；边墙喷素混凝土C25厚8cm，随机挂网，挂网处喷护厚15cm。

4.1.2.4Ⅳ类围岩(D4断面)

1)方案1 对于相对较好的Ⅳ类围岩和无水稳定性较好的岩脉，临时支护采用φ25，L=4.5m的随机锚杆，局部超前锚杆φ25，L=4.5m，间距40cm，顶拱范围喷护厚度较永久支护增加3cm。与永久支护相结合，顶拱范围喷C25混凝土，厚15cm，挂钢筋网(φ6.5@15cm×15cm)；边墙范围喷C25混凝土，厚12cm，挂钢筋网(φ6.5@15cm×15cm)。

2)方案2 对于有强风化岩脉、破碎带、渗水等特殊部位，临时支护采用φ25，L=4.5m或φ28，L=6m的随机锚杆，局部超前锚杆φ25，L=4.5m，间距40cm或φ50@40cm超前小导管，顶拱范围加布1层φ22钢筋网(排距30cm，纵向连接筋φ22，间距2m)，喷护C25混凝土厚度较永久支护增加8cm。与永久支护相结合，顶拱范围喷C25混凝土，挂钢筋网(φ6.5@15cm×15cm)，加布1层φ22钢筋网(排距30cm，纵向连接筋φ22，间距2m)，喷C25混凝土20cm；边墙范围喷C25混凝土，厚12cm，挂钢筋网，φ6.5@15cm×15cm。

4.1.2.5Ⅴ类围岩(D4断面)

1)方案1 对于相对较好的Ⅴ类围岩和无水稳定性较好的岩脉，临时支护采用φ28，L=6m，间距1.2m×1.2m的随机锚杆；超前锚杆φ25，L=4.5m，间距40cm；或超前小导管φ50cm，L=4.5m，间距40cm。顶拱范围加布钢筋拱肋(φ22×3，间距50cm，纵向连接筋φ22，间距2m)，喷护C25混凝土厚度较永久支护增加8cm。与永久支护相结合，顶拱范围喷C25混凝土，挂钢筋网(φ6.5@15cm×15cm)加布钢筋拱肋(φ22×3，间距50cm，纵向连接筋φ22，间距2m)，喷C25混凝土20cm；边墙范围喷C25混凝土，厚12cm，挂钢筋网，φ6.5@15cm×15cm。

2)方案2 对于有强风化岩脉、破碎带、渗水等特殊部位，临时支护采用φ28，L=6m，间距1.2m×1.2m的随机锚杆；超前锚杆φ25，L=4.5m，间距40cm；或超前小导管φ50cm，L=4.5，间距40cm。顶拱范围加钢支撑，喷护C25混凝土厚度较永久支护增加8cm。与永久支护相结合，顶拱范围喷C25混凝土，厚20cm，挂钢筋网，φ6.5@15cm×15cm，增加型钢支撑，在第Ⅰ层设I20型钢支撑，间距0.6m，锁脚锚杆4φ22，L=3m。在第1层下角每边增加1根φ28，L=6m锁脚锚杆；边墙范围喷C25混凝土，厚12cm，挂钢筋网，φ6.5@15cm×15cm。钢拱架安装施工如图4所示。

图4 钢拱架安装施工

将原方案与调整方案进行对比可知，Ⅱ类围岩较原支护方案边墙、顶拱挂网处喷护混凝土厚度增加5cm；Ⅲ类围岩较原支护方案边墙、顶拱挂网处喷护混凝土厚度增加7cm；Ⅳ类围岩将原支护方案的局部超前锚杆调整为超前注浆小导管，并将钢支撑取消，加布φ22加强钢筋网，且较原支护方案边墙、顶拱挂网处喷护混凝土厚度增加3cm，加强钢筋网处喷护混凝土共计20cm；Ⅴ类围岩将原局部超前锚杆与钢拱架相结合的支护方案调整为超前注浆小导管与φ22×3钢筋拱肋相结合的支护方案，且较原支护方案边墙、顶拱喷护混凝土厚度增加8cm，喷护混凝土共计20cm。

调整方案解决了以下问题：①在地质情况差、影响平整度的情况下，钢筋包裹问题保证了喷护混凝土施工质量及隧洞施工安全，尤其为下部开挖提供了可靠保证。②刚性支护调整为柔性支护，解决了半幅施工钢支撑无牢靠受力支撑点、安全防患问题。柔性支护更适应岩石变形，有利于下部开挖安全，同时节省了投资。③对于岩石破碎带采用超前注浆小导管与超前锚杆相结合，为开挖成型提供了可靠保证。④对于地质情况特别差的部位必须采用超前注浆小导管同超前锚杆相结合加钢拱架联合支护的方式才能保证围岩稳定和施工安全。

4.1.3危险洞段喷锚工艺程序优化

危险洞段存在岩石破碎、渗水严重、危石等情况，极易掉块和塌方，施工安全风险大，不及时喷锚支护会出现严重的灾害性后果。为防止因掉块出现伤亡事故和改变隧洞受力状况而出现大塌方等地质灾害事故的发生，将调整喷锚工艺流程作为危险洞段喷锚工艺的调整重点。调整流程如下：初喷→短锚杆(锚钉)→挂钢筋网→喷护→系统锚杆。通过工序流程规范化有效保证了施工安全和施工质量。

4.2 泄洪洞断层破碎带、岩脉突泥涌水风险部位防治方法

在地下水发育，围岩软弱、破碎地质条件下进行隧道施工时，应采取有效的超前地质探测预报措施，提前预知前方围岩地质情况，根据所测地质情况预测判断是否具有突泥涌水可能，防止灾害事故发生。若超前探测有突泥涌水可能，现场应采取果断施工技术措施，同时上报监理方、设计方，采取相应的支护或处理措施，防止突泥涌水的不良地质状况发生。

确定地下洞室突泥涌水地质灾害的可能性方法或手段一般有超前钻勘探孔或采用地震法超前预报等。目前最常用的就是采用超前钻勘探孔方法。超前探孔是利用掌子面的抛空结合钻机的超前水平探孔，了解前方地质情况的一种手段，确定需进行钻探孔前应先由设计人员对掌子面进行地质素描，而后确定孔数、孔位、孔向等参数，最后根据参数选择合适的钻机按要求钻孔，形成钻孔记录后经地质分析，确定开挖支护参数及防护方案，确保洞室施工安全。

5 结语

1) 建立正确的地下洞室地质灾害分类体系，这将有助于建立综合的减灾防灾管理体系，对有针对性灾害防治措施的制定具有指导意义。

2) 超大断面地下洞室地质灾害的影响因素可归纳为隔水层岩层岩性及其组合特征、含水条件、水头压力及地应力等。

3) 分别就泄洪洞软岩洞段和特殊洞段围岩地质风险和泄洪洞断层破碎带、岩脉突泥涌水风险部位提出防治措施。对于软岩洞段和特殊洞段围岩地质风险，可采取合适的开挖程序和开挖方法，为避免塌方采取相应的有效支护方式及危险洞段喷锚工艺程序优化；对于泄洪洞断层破碎带、岩脉突泥涌水风险部位，可采取超前探测方式进行预防。